《信息技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用》課件第2章

第二章計?算?機?技?術(shù)2.1計算機技術(shù)的發(fā)展歷史2.2計算機的分代與分類 2.3計算機系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)與工作過程2.4“信息家電”時代的到來2.5計算機的發(fā)展趨勢2.6量子計算機2.7生物計算機2.8光計算機

1946年美國賓州大學(xué)利用3年時間研制開發(fā)完成了用于彈道軌跡計算的世界上第一臺電子數(shù)字計算機，這臺機器使用了18000個電子管，重達30噸，功率150千瓦，占地

170平方米，而運算速度僅為每秒鐘5000次加、減運算。2.1計算機技術(shù)的發(fā)展歷史圖2.1所示為早期的手搖計算機。1946～1955年這10年間世界各國陸續(xù)研制出了一批計算機，如圖2.2所示。它們的共同特點是：采用電子管，體積大，功耗大，運算速度慢，存儲容量小，程序設(shè)計只能采用機器語言(二進制的機器指令)或匯編語言。這樣的計算機只能安裝在專門的實驗室里，只有專家才能使用，而且所編的程序只能在指定的計算機上使用，相互無法兼容。

圖2.1早期的手搖計算機系統(tǒng)

1955年IBM公司研制開發(fā)完成了世界上第一臺全晶體管計算機，標(biāo)志著第二代計算機的誕生。此后，IBM的計算機逐步形成一個系列化的產(chǎn)品，如IBM360系列計算機。所謂系列化產(chǎn)品就是指規(guī)模從小到大的一系列計算機，其軟件和某些硬件是向上兼容的，這為計算機產(chǎn)業(yè)進入批量生產(chǎn)和規(guī)模應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。但是，當(dāng)時的IBM等大型機只能放在計算中心的機房中，用戶不能直接與計算機打交道。這一代計算機的速度可達每秒運算數(shù)十萬次到幾百萬次，存儲器普遍采用磁芯制成，配置有操作系統(tǒng)和一批早期的高級語言如FORTRAN、COBOL等，使編程工作明顯簡化，并開始配置監(jiān)控程序，使得使用和維護工作大大簡化。

圖2.2美國研制出的世界上第一臺電子管計算機這個時期，除IBM公司以外，美國波士頓大學(xué)還研制出了體積只有書桌大小，用戶可坐在機前自己操作，并通過屏幕編輯軟件修改程序和字符等文本內(nèi)容，使用維護都很方便的小型計算機。在其影響下，各家公司也紛紛研制出小型機，其中典型的代表機型有DEC的PDP-11和VAX系列。

從20世紀(jì)70年代開始，隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，大規(guī)模(LSI)和超大規(guī)模(VLSI)半導(dǎo)體集成電路成批上市。作為計算機核心部件的處理器和控制器都可通過一塊或幾塊集成電路來實現(xiàn)，最具代表性的集成電路生產(chǎn)公司——英特爾公司開發(fā)出了8086、80286、80386和80486等芯片系列，而原來的磁芯存儲器也由半導(dǎo)體存儲器所取代，這一切促使了個人計算機(PersonalComputer，簡稱PC)的誕生和飛速發(fā)展。在這種背景下，系統(tǒng)軟件方面也得到很大的發(fā)展。微軟公司陸續(xù)開發(fā)并逐步升級的操作系統(tǒng)有MSDOS和Windows系統(tǒng)，以及PC的開放平臺X86/DOS，硬件和軟件的快速發(fā)展使計算機的應(yīng)用、普及并逐步進入老百姓家庭真正成為可能。這個時期計算機的特點是體積更加縮小，而功能卻更加完善和加強，使用十分方便，便于大規(guī)模生產(chǎn)，從而使得價格更加便宜。

20世紀(jì)80年代以來，隨著因特網(wǎng)(Internet)的發(fā)展與普及，各種各樣的計算機通過因特網(wǎng)互聯(lián)起來，形成了世界范圍的“多機協(xié)作環(huán)境”和信息資源共享的環(huán)境。在這種情況下，用戶通過網(wǎng)絡(luò)上的任何一臺計算機都可以完成他所需要完成的任何任務(wù)。因此，有人把這個時期稱為“以網(wǎng)絡(luò)為中心”的計算機時代，或者稱為“網(wǎng)絡(luò)就是計算機”的時代。特別值得一提的是，PC機廣泛連接到因特網(wǎng)從根本上改變了PC機的地位和作用，因為在這種情況下的PC機已經(jīng)徹底改變了它原來的面貌，提高PC機的性能可以完成用戶需要完成的各種任務(wù)，可以共享因特網(wǎng)上的各種資源。所以也有人把這個時代稱為“網(wǎng)絡(luò)+PC”的時代。這個時期在巨型計算機和超級計算機的研究、開發(fā)方面更有著飛速的發(fā)展，其運算速度從每秒幾百萬次迅速提高到幾千萬次、幾億次、幾十億次、幾百甚至幾千億次。2001年美國已經(jīng)成功研制了運算速度達到每秒12.3萬億次的巨型計算機；我國也研制開發(fā)完成了每秒6000億次的巨型計算機，如圖2.3所示。

圖2.3每秒6000億次的巨型計算機從以上的回顧可以發(fā)現(xiàn)兩個規(guī)律：一是計算機的體積愈來愈小，計算的速度愈來愈高；二是信息處理的功能和交互性愈來愈強，使用愈來愈容易。圖2.4給出了微型計算機主機、磁盤存儲器內(nèi)部插件和外部設(shè)備的實物圖。

圖2.4計算機主機、內(nèi)部插件和外部設(shè)備實物圖

1．計算機的分代

早期電子計算機發(fā)展歷程根據(jù)所采用的物理器件的不同，大致可以劃分為四代。

第一代——電子管計算機時代(從1946年第一臺計算機研制成功到20世紀(jì)50年代后期)。2.2計算機的分代與分類這一時期計算機的主要特點是采用電子管作為基本元件，程序設(shè)計使用機器語言或匯編語言，主要用于科學(xué)和工程計算，運算速度為每秒幾千次至幾萬次。

第二代——晶體管計算機時代(從20世紀(jì)50年代中期到20世紀(jì)60年代后期)。

這一時期計算機主要以晶體管為基本元件，體積縮小，功耗降低，提高了速度(每秒運算可達幾十萬次)，可靠性也有所提高；這一時間的計算機用磁芯做主存儲器，外存儲器采用磁盤、磁帶等；程序設(shè)計采用高級語言，如FORTRAN、COBOL、ALGOL等；在軟件方面還出現(xiàn)了操作系統(tǒng)。計算機的應(yīng)用范圍進一步擴大，除進行傳統(tǒng)的科學(xué)和工程計算外，還應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理等更廣泛的領(lǐng)域。

第三代——集成電路計算機時代(從20世紀(jì)60年代中期到20世紀(jì)70年代前期)。

這一時期的計算機采用集成電路作為基本元件，體積減小，功耗、價格等進一步降低，而速度及可靠性則有更大的提高；用半導(dǎo)體存儲器代替了磁芯存儲器；運算速度每秒可達幾十萬次到幾百萬次；在軟件方面，操作系統(tǒng)日臻完善。這時計算機設(shè)計思想已逐步走向標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化，應(yīng)用范圍更加廣泛。

第四代——大規(guī)模集成電路計算機時代(從20世紀(jì)70年代初至今)。

這一時期計算機的主要功能器件采用大規(guī)模集成電路(LSI)，并用集成度更高的半導(dǎo)體芯片做主存儲器，運算速度可達每秒百萬次至億次。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面，處理機系統(tǒng)、分布式系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡(luò)的研究進展迅速；系統(tǒng)軟件的發(fā)展不僅實現(xiàn)了計算機運行的自動化，而且正在向智能化方向邁進；各種應(yīng)用軟件層出不窮，極大地方便了用戶。微型計算機做為第四代電子計算機，是電路技術(shù)不斷發(fā)展、芯片集成度不斷提高的產(chǎn)物。由于微型機的體積小、耗電少、價格低、性能高、可靠性好、使用方便等優(yōu)點，被應(yīng)用到了社會生活的各個方面，使計算機的應(yīng)用更為普及。

關(guān)于第五代計算機的說法，從20世紀(jì)80年代討論至今也沒有確切的劃分，計算機界無法延續(xù)按照器件種類分代的模式，所以，這也是困擾計算機領(lǐng)域的一個有趣的問題。

2．計算機的分類

計算機種類很多，可以從不同的角度對計算機進行分類。按照計算機原理分類，可分為數(shù)字式電子計算機、模擬式電子計算機和混合式電子計算機。按照計算機用途分類，可分為通用計算機和專用計算機。按照計算機性能分類，可分為巨型機、小巨型機、大型機、小型機、工作站和個人計算機六大類。

2.3.1計算機系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)

完整的計算機系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。硬件系統(tǒng)是計算機的物理設(shè)備，計算機硬件包括主機和外設(shè)；軟件系統(tǒng)包括計算機的程序、數(shù)據(jù)、文檔等。硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的關(guān)系是互為基礎(chǔ)，協(xié)調(diào)一致，缺一不可。2.3計算機系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)與工作過程

1．馮·諾依曼計算機的組成原理

從20世紀(jì)初，物理學(xué)和電子學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家們就在爭論制造可以進行數(shù)值計算的機器應(yīng)該采用什么樣的結(jié)構(gòu)。人們被十進制這個人類習(xí)慣的計數(shù)方法所困擾。所以，那時研制模擬計算機的呼聲更為響亮和有力。20世紀(jì)30年代中期，德國科學(xué)家馮·諾依曼大膽地提出拋棄十進制，采用二進制作為數(shù)字計算機的數(shù)制基礎(chǔ)。同時，他還提出預(yù)先編制計算程序，然后由計算機按照人們事前制定的計算順序來執(zhí)行數(shù)值計算的工作方式。馮·諾依曼理論的要點是：數(shù)字計算機的數(shù)制采用二進制；計算機應(yīng)該按照程序順序執(zhí)行。人們把馮·諾依曼的這個理論稱為馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)。馮·諾依曼最先提出了程序存儲的思想，并成功將其運用在計算機的設(shè)計之中。根據(jù)這一原理制造的計算機被稱為馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計算機。世界上第一臺馮·諾依曼式計算機是1949年研制的EDSAC，從EDSAC到當(dāng)前最先進的計算機采用的都是馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)。五十多年來，計算機系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)沒有變化，如圖2.5所示。由于馮·諾依曼對現(xiàn)代計算機技術(shù)的突出貢獻，因此他又被稱為“計算機之父”。

圖2.5計算機系統(tǒng)馮·諾依曼思想的核心是：程序和數(shù)據(jù)以二進制表示；程序和數(shù)據(jù)一樣存放在內(nèi)存中；計算機可分為五大模塊(存儲器、運算器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備)。

根據(jù)馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)構(gòu)成的計算機，必須具有如下功能：

(1)把需要的程序和數(shù)據(jù)送至計算機中。

(2)必須具有長期記憶程序、數(shù)據(jù)、中間結(jié)果及最終運算結(jié)果的能力。

(3)能夠完成各種算術(shù)、邏輯運算和數(shù)據(jù)傳送等數(shù)據(jù)加工處理的能力。

(4)能夠根據(jù)需要控制程序走向，并能根據(jù)指令控制機器的各部件協(xié)調(diào)操作。

(5)能夠按照要求將處理結(jié)果輸出給用戶。

為了完成上述功能，計算機必須具備五大基本組成部件，如圖2.6所示，包括輸入數(shù)據(jù)和程序的輸入設(shè)備、記憶程序和數(shù)據(jù)的存儲器、完成數(shù)據(jù)加工處理的運算器、控制程序執(zhí)行的控制器以及輸出處理結(jié)果的輸出設(shè)備。

圖2.6現(xiàn)代通用計算機基本結(jié)構(gòu)示意圖圖2.6中各部件的功能是：

(1)運算器用來完成算術(shù)運算和邏輯運算，并將運算的中間結(jié)果暫存在運算器內(nèi)；

(2)存儲器用來存放數(shù)據(jù)和程序；

(3)控制器用來控制、指揮程序和數(shù)據(jù)的輸入、運行及處理運算結(jié)果；

(4)輸入設(shè)備用來將人們熟悉的信息形式轉(zhuǎn)換為機器能識別的信息形式，常見的有鍵盤、鼠標(biāo)等；

(5)輸出設(shè)備可將運算結(jié)果轉(zhuǎn)換為人們熟悉的信息形式如打印機輸出、顯示器輸出等。計算機的五大部件在控制器的統(tǒng)一指揮下，有條不紊地自動工作。

由于運算器和控制器在邏輯關(guān)系和電路結(jié)構(gòu)上聯(lián)系十分緊密，尤其在大規(guī)模集成電路制造工藝出現(xiàn)后，這兩大部件往往制作在同一芯片上，因此，通常將他們合起來統(tǒng)稱為中央處理器，簡稱CPU。把輸入設(shè)備與輸出設(shè)備簡稱為I/O設(shè)備。因此，現(xiàn)代計算機可認(rèn)為由三大部分組成：CPU、I/O設(shè)備及主存儲器。CPU與內(nèi)存儲器合起來稱為主機，I/O設(shè)備叫做外設(shè)。存儲器分為主存儲器和輔助存儲器。主存可直接與CPU交換信息，輔存又叫外存。

2．計算機的五大部件

1)運算器

運算器是進行算術(shù)運算及邏輯運算的部件，主要完成算術(shù)運算(＋、－、×、÷)和各種邏輯運算(與、或、非、異或、移位、比較)等操作。運算器包括三個寄存器(ACC、MQ、X)和一個算術(shù)邏輯單元ALU。其中ACC為累加寄存器，MQ為乘商寄存器，X為操作數(shù)寄存器。這三個寄存器在完成不同運算時，所存放的操作數(shù)類別也各不相同。

2)存儲器

存儲器包括存儲體、各種邏輯部件及控制電路等。存儲體由許多存儲單元組成，每個存儲單元又包含若干個存儲元件，每個存儲元件能寄存一位二進制代碼“0”或“1”?？梢?，一個存儲單元可存儲一串二進制代碼，稱這串二進制代碼為一個存儲字，這串二進制代碼的個數(shù)叫做存儲字長。我們賦予每個存儲單元一個編號，叫做存儲單元的地址號。主存的工作方式就是按存儲單元的地址號來實現(xiàn)對存儲字各位的存(寫入)、取(讀出)。這種存取方式叫做按地址存取，也即按地址訪問存儲器(簡稱訪存)。為了能實現(xiàn)按地址訪問的方式，主存中還必須配置兩個寄存器MAR和MDR。MAR是存儲器地址寄存器，用來存放欲訪問的存儲單元的地址，其位數(shù)對應(yīng)存儲單元的個數(shù)。MDR是存儲器數(shù)據(jù)寄存器，用來存放從存儲體某單元取出的代碼或者準(zhǔn)備往某存儲單元存入的代碼，其位數(shù)與存儲字長相等。要想完整地完成一個取或存操作，CPU還得給主存加以各種控制信號，如讀命令、寫命令和地址譯碼驅(qū)動信號等。隨著硬件技術(shù)的發(fā)展，主存都制作成大規(guī)模集成電路的芯片，而將MAR和MDR制作在CPU芯片中。存儲器通常分為內(nèi)存儲器和外存儲器。

內(nèi)存儲器采用半導(dǎo)體器件構(gòu)成，能直接和中央處理器交換信息，也能和其他各個部件交換數(shù)據(jù)，并具有速度快和易失性的特點。

外存儲器采用涂磁材料或依賴激光技術(shù)記錄和讀出存儲信息，只能和內(nèi)存交換數(shù)據(jù)，并具有存儲容量大及非易失性的特點，例如硬盤、光盤、U盤。

存儲器以字節(jié)為單位作為基本的存儲單元，其容量單位為位(bit)、字節(jié)(Byte，簡寫為B)、KB、MB、GB、TB。其關(guān)系為1KB

=

1024B，1MB

=

1024KB，1GB

=

1024MB，1TB

=

1024GB。

3)控制器

控制器是計算機的神經(jīng)中樞，負(fù)責(zé)指揮各部件自動、協(xié)調(diào)地工作。具體而言，控制器首先要從命令存儲器中讀出一條指令，這叫取指過程。接著對這條指令進行分析，指出該指令要完成什么樣的操作，并按尋址特征指明操作數(shù)的地址，這叫分析指令過程。最后根據(jù)操作數(shù)所在的地址，取出操作數(shù)并完成某種操作，這叫執(zhí)行過程。以上就是通常所說的完成一條指令操作的取指、分析和執(zhí)行三階段?？刂破饔沙绦蛴嫈?shù)器PC、指令寄存器IR以及控制單元CU幾部分組成。PC用來存放當(dāng)前欲執(zhí)行指令的地址，它與主存的MAR之間有一條直接通路，且具有自動加1的功能，即可自動形成下一條指令的地址。IR用來存放當(dāng)前的指令，IR的內(nèi)容來自主存的MDR。IR中的操作碼送到CU，用來分析指令；其地址碼作為操作數(shù)的地址送至存儲器的MAR。CU用來分析當(dāng)前指令所需完成的操作，并發(fā)出各種微操作命令序列，用以控制所有被控對象。

4)輸入/輸出(I/O)設(shè)備

輸入設(shè)備接受用戶輸入的程序、數(shù)據(jù)、操作指令等，并將它們轉(zhuǎn)換為二進制形式存放到內(nèi)存。常見的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)器、圖像掃描儀、光筆、麥克風(fēng)等。

輸出設(shè)備將存放在內(nèi)存中的程序運行結(jié)果，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸出到輸出介質(zhì)上。常見的輸出設(shè)備有顯示器、打印機、繪圖儀、揚聲器等。

I/O子系統(tǒng)包括各種外部設(shè)備及相應(yīng)的接口。每一種設(shè)備都是由I/O接口與主機聯(lián)系的，它接受CU發(fā)出的各種控制命令完成相應(yīng)的操作。

3．計算機基本工作原理

計算機首先把構(gòu)成程序的有序指令和數(shù)據(jù)，讀入到主存單元中，并置PC的初值為程序首條指令的地址。啟動機器后，計算機便自動按存儲器中所存放指令的順序，有序地逐條完成取指令、分析指令和執(zhí)行指令，直至執(zhí)行到程序的最后一條指令的操作。簡單地說，計算機的基本工作原理就是不斷地取指令和執(zhí)行指令。指令的執(zhí)行過程如下：

(1)取指令：根據(jù)程序計數(shù)器中的地址，從內(nèi)存取出指令送給指令寄存器。

(2)分析指令：對指令進行分析譯碼，將操作碼轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制電平。

(3)執(zhí)行指令：根據(jù)指令分析的結(jié)果，由操作控制電路發(fā)出完成該指令的控制信息，執(zhí)行該指令的操作。

(4)完成后，程序計數(shù)器加1，指向下一條指令的地址，然后重復(fù)上面的過程。

4．計算機軟件系統(tǒng)

計算機軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。

系統(tǒng)軟件是指控制計算機運行、管理計算機的各種資源，并為應(yīng)用軟件提供支持和服務(wù)的軟件。通常包括操作系統(tǒng)、語言處理程序、實用程序和各種編譯、編輯、匯編軟件。其中，操作系統(tǒng)是最重要的系統(tǒng)軟件。

應(yīng)用軟件是指專門為某一應(yīng)用目的而開發(fā)的軟件。應(yīng)用軟件分為三大類：

·通用應(yīng)用軟件；

·用于專門行業(yè)的應(yīng)用軟件；

·定制的軟件。2.3.2微型計算機的組成

微型計算機由主板、微處理器(CPU)、存儲器、輸入/輸出接口電路組成。各功能部件之間通過總線有機地連接在一起，其中微處理器是整個微型計算機的核心部件。

內(nèi)部存儲器按照讀寫方式的不同，分為ROM和RAM兩種類型。

輸入/輸出接口電路是外圍設(shè)備與微型計算機之間的連接電路，在兩者之間進行信息交換的過程中起暫存、緩沖、類型變換及時序匹配的作用。

總線是CPU與其他各功能部件之間進行信息傳輸?shù)耐ǖ?，按所傳送信息的不同類型，總線可以分為數(shù)據(jù)總線DB、地址總線AB和控制總線CB三種類型。

微機系統(tǒng)常用的外圍設(shè)備有顯示器、打印機、鍵盤等。

微型計算機的主要性能指標(biāo)有：

(1)

CPU指標(biāo)：CPU字長、時鐘頻率。

(2)運算速度：每秒鐘所能執(zhí)行的指令條數(shù)。

(3)內(nèi)存容量：內(nèi)存儲器存儲數(shù)據(jù)的能力。

微型計算機按組成結(jié)構(gòu)可分為下述幾類：

(1)單片機：各組成部分集成在一個超大規(guī)模芯片上。

(2)單板機：各組成部分裝配在一塊印刷電路板上。

(3)多板機：各組成部分裝配在多塊印刷電路板上。下面對計算機的組成部分逐一進行介紹。

1．主板

主板又稱母板，是連接計算機各個部件的物理通路。它為CPU、內(nèi)存和各種功能卡提供安裝插槽，為I/O設(shè)備提供接口，實際上電腦通過主板將CPU等各種器件和外部設(shè)備結(jié)合起來形成一套完整的系統(tǒng)。電腦運行時對系統(tǒng)內(nèi)存、存儲設(shè)備和其他I/O設(shè)備的操作控制都必須通過主板來完成，因此電腦的運行速度和穩(wěn)定性在相當(dāng)程度上取決于主板的性能。主板負(fù)責(zé)組織輸送數(shù)據(jù)到各個設(shè)備，協(xié)調(diào)各種器件正常工作。大致來說，主板由CPU插槽、內(nèi)存插槽、總線擴展插槽、控制芯片組、外設(shè)接口、BIOS和CMOS控制芯片等幾部分組成。

早期的主板中有多塊芯片，目前主流的主板中已把多塊芯片按功能集成到兩個芯片內(nèi)，叫芯片組，分為北橋芯片組和南橋芯片組。主板的性能取決于芯片組?，F(xiàn)在主要芯片組廠商有Intel、VIA(威勝)、SIS(矽統(tǒng))、ALI(揚智)等公司。

北橋芯片負(fù)責(zé)與CPU的聯(lián)系并控制內(nèi)存、AGP、PCI等的數(shù)據(jù)傳輸。北橋芯片的特征是：離CPU較近并稍大，和CPU聯(lián)系密切，管理L2高速緩存。一般配有散熱片或風(fēng)扇。該芯片決定著主板能安裝何種檔次的CPU及其工作頻率，并決定是否支持AGP高速圖型接口。還決定了所使用的內(nèi)存的類型、最大容量等。

南橋芯片主要負(fù)責(zé)I/O接口的控制、IDE設(shè)備(硬盤等)的控制以及進行高級能源管理等。

南橋芯片的特征是：離CPU較遠并稍小，提供標(biāo)準(zhǔn)的I/O芯片，用于管理計算機中各個設(shè)備的接口及總線，控制鍵盤控制器、時鐘并進行電源管理等。

2．CPU

中央處理器又稱為微處理器，是運算器和控制器集成在一片集成電路芯片上構(gòu)成的，這塊芯片也叫做CPU，它是整個微機系統(tǒng)的核心。下面介紹CPU的發(fā)展與分代。

·第一代：4位及低檔8位微處理器。

1971年，Intel公司推出第一片4位微處理器Intel4004，以其為核心組成了一臺高級袖珍計算機。隨后出現(xiàn)的Intel4040，是第一片通用的4位微處理器。

1972年，Intel公司推出8位Intel8008微處理器，集成度約2000管/片，時鐘頻率為1MHz。

·第二代：中低檔8位微處理器。

1973年—1974年，8位微處理器Intel8008、M6800、Rockwell6502面世，其集成度為5000管/片，時鐘頻率為2MHz～4MHz。這一時期，微處理器的設(shè)計和生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，組成微機系統(tǒng)的部件也愈來愈齊全，系統(tǒng)朝著提高集成度、增強功能與提高速度，減少系統(tǒng)所需芯片數(shù)量的方向發(fā)展。

·第三代：高中檔8位微處理器。

1975年—1976年，8位Z-80、Intel8085面世，時鐘頻率達2MHz～4MHz，集成度約10000管/片，還出現(xiàn)了一系列單片機。

·第四代：16位及低檔32位微處理器。

1978年，Intel首次推出16位處理器8086(時鐘頻率達到4MHz～8MHz)，8086的內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)總線都是16位，地址總線為20位，可直接訪問1MB內(nèi)存單元。

1979年，Intel又推出8086的姊妹芯片8088(時鐘頻率達到48MHz)，集成度達到2萬～6萬管/片。它與8086不同的是外部數(shù)據(jù)總線為8位(地址線為20位)。

1982年，Intel推出了80286(時鐘頻率為10MHz)。該芯片仍然為16位結(jié)構(gòu)，但地址總線擴展到24位，可訪問16MB內(nèi)存，其工作頻率也提高了許多。80286兼容8086的指令集和工作模式(實模式)，并增加了部分新指令和一種新的工作模式——保護模式。

1985年，Intel又推出了32位處理器80386(時鐘頻率為20MHZ)。該芯片的內(nèi)外部數(shù)據(jù)線及地址總線都是32位，可訪問4GB內(nèi)存，并支持分頁機制。除了實模式和保護模式外，又增加了一種“虛擬8086”的工作模式，可以在操作系統(tǒng)控制下模擬多個8086同時工作。

1989年推出了80486(時鐘頻率為30MHz～40MHz)，集成度達到15萬管/片～50萬管/片

(168個腳)，甚至上百萬管/片。早期的80486相當(dāng)于把80386和完成浮點運算的數(shù)學(xué)協(xié)處理器80387以及8KB的高速緩存集成到一起，這種片內(nèi)高速緩存稱為一級(L1)緩存，80486還支持主板上的二級(L2)緩存。后期推出的80486DX2首次引入了倍頻的概念，有效緩解了外部設(shè)備的制造工藝跟不上CPU主頻發(fā)展速度的矛盾。

第五代：高檔32位微處理器。

1993年，Intel公司推出了新一代高性能處理器Pentium(奔騰)。Pentium最大的改進是它擁有超標(biāo)量結(jié)構(gòu)(支持在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行一至多條指令)，且一級緩存的容量增加到了16KB，這些改進大大提升了CPU的性能，使得Pentium的速度比80486快數(shù)倍。除此之外，Pentium還具有良好的超頻性能，即可以把一個低主頻CPU當(dāng)作高主頻CPU來使用，使得花費較低的代價可獲得較高的性能。

1996年，Intel公司推出了PentiumPro(高能奔騰)。該芯片具有兩大特色，一是片內(nèi)封裝了與CPU同頻的256KB或512KB二級緩存；二是支持動態(tài)預(yù)測執(zhí)行，可以打亂程序原有指令順序，按照優(yōu)化順序同時執(zhí)行多條指令，這兩項改進使得PentiumPro的性能又有了質(zhì)的飛躍。

1997年初，Intel發(fā)布了Pentium的改進型號——PentiumMMX(多能奔騰)，將一級緩存提高到32KB，同時增加了57條MMX(多媒體擴展)指令，有效地增強了CPU處理音頻、圖像和通信等多媒體應(yīng)用的能力。同年還推出了PⅡ。PⅡ是對PentiumPro的改進，因為其核心結(jié)構(gòu)與PentiumPro類似，但加快了16位指令的執(zhí)行速度，且支持MMX指令集。

1999年又推出了開發(fā)代號為Coppermine的PⅢ。該芯片加入了引起爭議的CPU序列號功能，支持SSE(StreamingSIMDExtensions，單一指令多數(shù)據(jù)流擴展)指令集，這是針對MMX的弱點和3DNow!設(shè)計的70條新指令，大大加強了CPU在三維圖像和浮點運算方面的能力。2000年3月底，Intel又推出了PIV。

現(xiàn)在，已經(jīng)出現(xiàn)雙核、四核處理器乃至更多核的處理器。

描述CPU的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的物理意義：

CPU字長——一次并行處理的二進制數(shù)的位數(shù)；

CPU外頻——CPU總線頻率；

CPU主頻——CPU內(nèi)核電路的實際工作頻率；

生產(chǎn)工藝技術(shù)——通常用微米來描述。

3．內(nèi)部存儲器

內(nèi)部存儲器的種類很多，按其用途可分為主存儲器和輔助存儲器。主存儲器又稱內(nèi)存儲器(簡稱內(nèi)存，還有人稱內(nèi)存條)，輔助存儲器又稱外存儲器(簡稱外存)。

1)隨機存取存儲器(RandomAccessMemory，RAM)

RAM通常指計算機主存，CPU對它們既可讀出又可寫入數(shù)據(jù)，如圖2.7所示。RAM的主要特點有：可讀可寫；關(guān)機斷電后信息全部丟失；是內(nèi)存的主要部分。

圖2.7RAM

2)動態(tài)隨機存儲器DRAM

DRAM的特點是，數(shù)據(jù)信息以電荷形式保存在小電容器內(nèi)，需要周期性地刷新。目前普遍使用SDRAM，它的刷新周期與系統(tǒng)時鐘保持同步，使RAM和CPU同步工作，取消等待周期，減少了數(shù)據(jù)存取時間。DDRSDRAM(雙倍數(shù)據(jù)速率同步動態(tài)RAM)用工作時鐘脈沖的上、下沿同時傳送數(shù)據(jù)，將傳輸速率在SDRAM芯片的基礎(chǔ)上提高了一倍。DRAM通常做主存用，即用于加載程序和數(shù)據(jù)。

微機上使用的動態(tài)隨機存儲器做成內(nèi)存條的形式，插在系統(tǒng)主板的內(nèi)存插槽上。規(guī)格有32MB、64MB、128MB或256MB等。

3)只讀存儲器(ROM)

ROM在生產(chǎn)時已將硬件測試程序、啟動引導(dǎo)程序、BIOS等固化在其中，計算機每次啟動時將自動執(zhí)行其內(nèi)的程序?，F(xiàn)在的主板還在BIOS芯片中加入了電源管理、CPU、參數(shù)調(diào)整、系統(tǒng)監(jiān)控、PnP(即插即用)、病毒防護等功能。ROM的主要特點有：只可讀，不可寫；關(guān)機斷電后信息不會丟失；一般由廠家寫入并進行固化；一般存放計算機系統(tǒng)管理程序。

4)高速緩沖存儲器(Cache)

高速緩沖存儲器是介于CPU和RAM之間的一種可高速存取信息的芯片(見圖2.8)，用于解決它們之間的速度沖突問題，一般分為L1(一級)Cache和L2(二級)Cache。

圖2.8高速緩沖存儲器(Cache)

4．外部存儲器

外存通常是指磁性介質(zhì)或光盤、像硬盤、軟盤、磁帶、CD等，能長期保存信息，并且不依賴于電來保存信息，但是由于其由機械部件帶動，因此速度與CPU相比就顯得慢的多。

軟盤、硬盤、光盤、U盤都是外部存儲器。外存儲器單位價格低，容量大，速度慢，斷電后數(shù)據(jù)不會丟失。

1)硬盤

作為應(yīng)用最為廣泛的存儲設(shè)備之一，硬盤對于計算機系統(tǒng)整體性能的影響也是舉足輕重的。日常所用的操作系統(tǒng)和各種應(yīng)用軟件、游戲及數(shù)據(jù)等都在硬盤中存放。硬盤是計算機存儲系統(tǒng)中的外部存儲設(shè)備之一，它具有比光盤、U盤更大的存儲空間。

從外觀來看，在硬盤的一端有電源接口、主從設(shè)置跳線器和數(shù)據(jù)線接口，而硬盤的背面則是控制電路板。硬盤正面面板與底板結(jié)合成一個密封的整體，保證了硬盤盤片和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。在硬盤面板上最顯眼的是產(chǎn)品標(biāo)簽，上面印著產(chǎn)品型號、產(chǎn)品序列號、產(chǎn)品生產(chǎn)日期等信息。硬盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)由固定面板、控制電路板、磁頭、盤片、主軸、電機、接口及其他附件組成，其中磁頭盤片組件是構(gòu)成硬盤的核心，它封裝在硬盤的凈化腔體內(nèi)，包括有浮動磁頭組件、磁頭驅(qū)動機構(gòu)、盤片、主軸驅(qū)動裝置及前置讀寫控制電路幾個部分。將硬盤面板揭開后，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.9所示。硬盤的性能指標(biāo)有：

·容量：硬盤生產(chǎn)廠家常以KB、MB、GB等標(biāo)記硬盤容量，而且按1KB

=

103B計算(各種操作系統(tǒng)一般用1KB

=

1024B標(biāo)記硬盤容量)。

·平均尋道時間(AverageSeekTime)：平均尋道時間是指磁頭從得到指令到尋找到數(shù)據(jù)所在磁道的時間，它描述硬盤讀取數(shù)據(jù)的能力，以毫秒為單位?，F(xiàn)在大多數(shù)硬盤的平均尋道時間在6ms～14ms之間。平均尋道時間越小，硬盤的運行速度也就越快。

圖2.9磁盤存儲器內(nèi)部插件實物圖

2)光盤存儲器

光盤存儲器由光盤驅(qū)動器和活動光盤片構(gòu)成，其特點是相對軟盤而言容量大，存取速度快，不易受干擾。

光驅(qū)和盤片分類如下：

CD-ROM：只讀型光驅(qū)及盤片，盤片常用于存放軟件產(chǎn)品；在生產(chǎn)時預(yù)先寫入，使用時只能讀出；數(shù)據(jù)傳輸速率為150

×

40

=

6000KB/s，常稱為40倍速；容量650MB。

CD-R：光盤刻錄機及一次性寫入光盤片，寫入后不能擦除和改寫，但可多次讀出；兼容CD-ROM盤片。

CD-RW：可隨時刪除或?qū)懭氲墓怛?qū)及可擦寫的盤片。

DVD-ROM：高容量只讀型光驅(qū)及相應(yīng)盤片；兼容音頻CD、CD-ROM。

3)移動存儲產(chǎn)品

這類產(chǎn)品多以閃存芯片為存儲介質(zhì)，采用USB的接口，可擦寫100萬次以上，常見的有U盤等。

5．總線

微型計算機大多采用總線結(jié)構(gòu)，無論是各部件之間的信息傳送，還是處理器內(nèi)部信息的傳送，都是通過總線進行的。

所謂總線，是連接多個功能部件或多個裝置的一組公共信號線。按在系統(tǒng)中的不同位置，總線可以分為內(nèi)部總線和外部總線。內(nèi)部總線是CPU內(nèi)部各功能部件和寄存器之間的連線；外部總線是連接系統(tǒng)的總線，即連接CPU、存儲器和I/O接口的總線，又稱為系統(tǒng)總線。

微型計算機采用了總線結(jié)構(gòu)后，系統(tǒng)中各功能部件之間的相互關(guān)系變?yōu)楦鱾€部件面向總線的單一關(guān)系。一個部件只要符合總線標(biāo)準(zhǔn)，就可以連接到采用這種總線標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)中，使系統(tǒng)的功能可以很方便地得以發(fā)展。微型機中目前主要采用的外部總線標(biāo)準(zhǔn)有：

PC總線、ISA總線、VESA總線等。

按所傳送信息的不同類型，總線可以分為地址總線AB(AddressBus)、數(shù)據(jù)總線DB(DataBus)和控制總線CB(ControlBus)三種類型，通常稱微型計算機采用三總線結(jié)構(gòu)就是指這三類。如圖2.10所示。

圖2.10計算機總線示意圖

1)地址總線

地址總線是微型計算機用來傳送地址信息的信號線。地址總線的位數(shù)決定了CPU可以直接尋址的內(nèi)存空間的大小。因為地址總是從CPU發(fā)出的，所以地址總線是單向的三態(tài)總線。單向指信息只能沿一個方向傳送，三態(tài)指除了輸出高、低電平狀態(tài)外，還可以處于高阻抗?fàn)顟B(tài)(浮空狀態(tài))。

2)數(shù)據(jù)總線

數(shù)據(jù)總線是CPU用來傳送數(shù)據(jù)信息的信號線(雙向、三態(tài))。數(shù)據(jù)總線是雙向三態(tài)總線，即數(shù)據(jù)既可以從CPU送到其他部件，也可以從其他部件傳送給CPU。數(shù)據(jù)總線的位數(shù)和處理器的位數(shù)相對應(yīng)。

3)控制總線

控制總線是用來傳送控制信號的一組總線，這組信號線比較復(fù)雜，由它來實現(xiàn)CPU對外部功能部件(包括存儲器和I/O接口)的控制及接收外部傳送給CPU的狀態(tài)信號，不同的微處理器采用不同的控制信號。

控制總線的信號線分為單向或雙向、三態(tài)或非三態(tài)，取決于具體的信號線。2.3.3多媒體計算機

一般認(rèn)為，能夠綜合處理多種媒體信息，包括對多種媒體進行捕獲采集、存儲、加工處理、表現(xiàn)和輸出等的計算機，稱為多媒體計算機。通常多媒體計算機也包括多媒體硬件和多媒體軟件兩大部分(如圖2.11所示)。多媒體計算機除了常規(guī)的CPU、硬盤、內(nèi)存、顯示器、網(wǎng)卡之外，還有音頻卡、視頻卡、采集卡等音頻/視頻信息處理硬件等。

多媒體計算機具有強大的數(shù)據(jù)處理能力與數(shù)字化媒體設(shè)備整合能力，能處理文字、圖形、圖像、聲音和視頻等多種媒體信息，并提供多媒體信息的輸入、編輯、存儲和播放等功能。可以認(rèn)為多媒體計算機系統(tǒng)即是在普通的計算機基礎(chǔ)上，包括了大容量存儲設(shè)備、聲卡與音箱、視頻卡、掃描儀、數(shù)碼相機與數(shù)碼攝像機等。

圖2.11多媒體計算機系統(tǒng)

MPC多媒體計算機聯(lián)盟規(guī)定多媒體計算機系統(tǒng)由5個基本部件組成：PC機、CD-ROM、聲卡、音箱和Windows操作系統(tǒng)。MPC聯(lián)盟公布的MPC4.0為將PC機升級成MPC提供了一個指導(dǎo)原則，要求在普通微機的基礎(chǔ)上增加以下四類軟、硬件設(shè)備：

·聲/像輸入設(shè)備：光驅(qū)、話筒、掃描儀、錄音機、攝像機等。

·聲/像輸出設(shè)備：音效卡、刻錄光驅(qū)、投影儀等。

·功能卡：電視卡、視頻采集卡、視頻輸出卡、網(wǎng)卡、VCD壓縮卡等。

·軟件：支持音響、視頻和通訊信息以及可進行實時、多任務(wù)處理的相關(guān)軟件。

多媒體計算機主機可以是中、大型機或工作站，更普遍的是多媒體個人計算機。主機應(yīng)具備多媒體信息處理功能的芯片，比如通用或?qū)Ｓ玫臄?shù)字信號處理芯片DSP(DigitalSignalProcessor)，而現(xiàn)有的CPU芯片也增加了多媒體數(shù)據(jù)處理指令和數(shù)據(jù)類型，同時媒體處理器(MediaProcessor)也具備可編程性，可以通過軟件增加新的功能。

1)多媒體接口卡

多媒體接口卡的種類較多，常見的有聲卡、圖形加速卡、視頻采集卡等。

·聲卡又稱音頻卡，是處理音頻信號的硬件。

·圖形加速卡，它擁有圖形函數(shù)加速器和顯存，專門用來執(zhí)行圖形加速任務(wù)，可以減少CPU處理圖形的負(fù)擔(dān)。該卡工作在CPU和顯示器之間，控制計算機的圖形輸出?，F(xiàn)在的顯示卡上都集成有圖形處理芯片組，也可起到圖形加速卡的作用。

·視頻采集卡，可以獲取數(shù)字化視頻信息，提供硬件壓縮功能。

·IEEE1394卡，標(biāo)準(zhǔn)的IEEE1394接口可以同時傳送數(shù)字視頻信號以及數(shù)字音頻信號。相對于模擬視頻接口，它在采集和回錄過程中沒有任何信號的損失?，F(xiàn)在的IEEE1394卡多為PCI接口，只要插到計算機主板相應(yīng)的PCI插槽上就可以利用軟件壓縮編碼技術(shù)提供視頻采集功能。

2)信息獲取設(shè)備

(1)數(shù)碼相機(DC)。自1837年法國的達蓋爾發(fā)明照相技術(shù)以來，人類用圖像表達物質(zhì)和精神世界的手段已進入三個領(lǐng)域：用照片來記錄和表現(xiàn)某一瞬間的攝影；用膠片記錄和再現(xiàn)事物運動過程和狀態(tài)的電影；用磁帶記錄和重現(xiàn)運動圖像的攝像。20世紀(jì)末，世界進入了數(shù)字技術(shù)迅猛發(fā)展的階段。數(shù)字?jǐn)z影以物理變化過程改變了傳統(tǒng)攝影的化學(xué)變化過程。數(shù)字?jǐn)z影的結(jié)果可以通過計算機的顯示器或數(shù)碼照相機本身的彩色液晶顯示器直接呈現(xiàn)。這些結(jié)果是通過文件形式記錄在存儲器上，通過計算機對影像進行加工處理可得到，其效果是傳統(tǒng)攝影技術(shù)無法實現(xiàn)的。影像可由打印機打印成照片，也可通過計算機網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)绞澜绺鞯?，從而實現(xiàn)圖像的實時傳遞。

數(shù)碼相機最早出現(xiàn)在美國，美國人利用它通過衛(wèi)星向地面?zhèn)魉驼掌?。它作為計算機圖像最為流行的輸入設(shè)備，與計算機技術(shù)同步發(fā)展，很快成為主流影像應(yīng)用技術(shù)。與此同時，數(shù)碼相機的價格不斷下降，圖像質(zhì)量不斷提高，對越來越多的商業(yè)用戶和業(yè)余愛好者頗具吸引力。1996年，CASIO數(shù)碼相機進入中國市場，此后，美國柯達、德國AGFA相繼進入。1997年柯達與清華紫光、北大方正等公司合作，與微機捆綁銷售，獲得較大成功。1998年至1999年，佳能、愛普生、日立、蘋果、松下、索尼、NEC等品牌的數(shù)碼相機大舉進入中國，數(shù)碼相機逐漸為中國用戶所認(rèn)識、接受，并很快普及。

數(shù)碼相機也被稱為數(shù)字式照相機，是光學(xué)技術(shù)、精密機械技術(shù)、微電子技術(shù)一體化的產(chǎn)品。它的核心部件是CCD(ChargeCoupleDevice，電荷耦合元件)圖像傳感器，用一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，在光線作用下，可將不同強度的光線轉(zhuǎn)化為電荷的積累即摸擬信號，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，數(shù)字信號經(jīng)過壓縮以后由相機內(nèi)部的存儲器(如快閃存儲器或內(nèi)置硬盤卡)保存就得到了數(shù)字化的圖像，這些數(shù)字化的圖像可傳給電腦，然后再根據(jù)需要使用。CCD是數(shù)碼相機的核心部件，它是數(shù)字相機用來感測光線、取代銀鹽成像的組件，對于數(shù)字相機而言，它的地位就相當(dāng)于傳統(tǒng)相機的膠卷，直接關(guān)系到最后相片的圖像分辨率及品質(zhì)。

數(shù)碼相機鏡頭應(yīng)具有的分辨率水平，與CCD芯片的尺寸大小和像素有著很大的關(guān)系。和傳統(tǒng)相機一樣，數(shù)碼相機鏡頭質(zhì)量的好壞非常重要。由于一般的數(shù)碼相機采用尺寸非常小的CCD芯片，因而要求鏡頭有非常高的分辨率。數(shù)碼相機有單鏡頭反光照相機和輕便照相機兩種類型。大多數(shù)數(shù)碼單反照相機是在傳統(tǒng)135單反照相機的機身上“嫁接”CCD等部件構(gòu)成的，保留了傳統(tǒng)照相機的自動曝光、自動調(diào)焦等絕大部分功能，傳統(tǒng)單反照相機的鏡頭在這種數(shù)碼單反照相機上也可使用。

數(shù)碼相機所拍攝到的照片是以文件形式存儲在相機內(nèi)的存儲卡中，要將數(shù)碼照相機中的照片存儲到計算機中，需先用連接線將數(shù)碼相機與計算機連結(jié)起來。連接之后，通常數(shù)碼相機的驅(qū)動程序會將相機的存儲卡視為計算機的一個可移動磁盤，存儲卡中的圖像則會以縮略圖方式顯示。

(2)數(shù)碼攝像機(DV)。20世紀(jì)中葉，美國安培公司推出第一臺用攝像管攝取圖像的實用型攝像機。20多年后，日本JVC公司發(fā)明了世界上第一臺家用型攝像機(VHS格式，俗稱1/2錄像機或1/2帶)。近年來隨著相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展，從早期的家用VHS系統(tǒng)、BETA系統(tǒng)、V8系統(tǒng)到現(xiàn)在占主導(dǎo)地位的S-VHS系統(tǒng)、Hi8系統(tǒng)、數(shù)字存儲系統(tǒng)，攝錄信號的質(zhì)量及格式有了較大的變化和提高。攝像機由光學(xué)系統(tǒng)、光—電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、圖像信號處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等系統(tǒng)組成。其光學(xué)系統(tǒng)是由變焦距鏡頭、色溫濾色片、紅綠藍分光系統(tǒng)等組成的，通過光學(xué)系統(tǒng)部分可以得到成像于各自對應(yīng)靶面上的紅(R)、綠(G)、藍(B)三幅基色光像；光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是將成像于靶面上的光像轉(zhuǎn)換成電信號；圖像信號處理系統(tǒng)則將轉(zhuǎn)換后的電信號放大、校正和處理，同時完成信號的編碼工作，形成彩色全電視信號并輸出；整個過程都是在控制系統(tǒng)的作用下進行的。最后的彩色全電視信號記錄在存儲介質(zhì)上。目前攝像機品種較多，分類方法也不一樣。根據(jù)性能、質(zhì)量和使用范圍的不同，攝像機分為廣播級、業(yè)務(wù)級和家用級三大類。根據(jù)攝像機所用光—電轉(zhuǎn)換器件，攝像機又分為電真空器件(光電導(dǎo)型攝像管)攝像機和電荷耦合器件(CCD)攝像機兩大類。根據(jù)圖像攝制方式和存儲方式的不同，可分為模擬攝像機與數(shù)字?jǐn)z像機。數(shù)字?jǐn)z像機分為四大類：適合演播室和電視劇制作中心的廣播級；適合新聞工作者和音像制作中心的專業(yè)級；適合于需要進行大量視頻處理的小型電視臺或大型企業(yè)使用的半專業(yè)級；適合商業(yè)和家庭用戶使用的入門級。按攝像機機型可分為專業(yè)肩負(fù)式攝像機和微型掌中寶式攝像機。數(shù)碼攝像機的優(yōu)點是動態(tài)拍攝效果好。如果數(shù)碼攝像機使用的小尺寸電荷耦合器件CCD與其鏡頭不匹配，則在拍攝靜止圖像時效果就不如數(shù)碼照相機。

Internet的發(fā)展和普及不僅給人們的通信帶來了極大的方便，改變了企業(yè)的結(jié)構(gòu)和運作方式(網(wǎng)絡(luò)企業(yè)和虛擬企業(yè))，而且正在改變著人類的社會生活方式(網(wǎng)上購物、網(wǎng)上漫游、網(wǎng)上文化等)，改變了整個出版行業(yè)(無紙出版、網(wǎng)上投稿、網(wǎng)上發(fā)行和網(wǎng)絡(luò)下載電子書等)，甚至改變了戰(zhàn)爭的一些方式，如出現(xiàn)了信息戰(zhàn)概念。2.4“信息家電”時代的到來在從技術(shù)發(fā)展和市場需要的推動下，傳統(tǒng)的PC逐漸與傳統(tǒng)的家電相結(jié)合，即形成了一個計算機、通信和消費產(chǎn)品密切結(jié)合的產(chǎn)業(yè)，一個新的巨大市場已出現(xiàn)在地平線上，這就是所謂的“信息家電”，即計算機(Computer)、通信(Communication)和消費家電(Consumerappliances)三者相結(jié)合而產(chǎn)生的“3C”產(chǎn)品。有人把這種“3C”產(chǎn)品稱為“后PC”時代的產(chǎn)物，例如可以與網(wǎng)絡(luò)連接的電視機、電冰箱、空調(diào)機和電飯煲等等。這些家電設(shè)備可以通過互聯(lián)網(wǎng)進行連接并進行遠程控制，實施家電的遠程管理。例如，下班前可以通過互聯(lián)網(wǎng)遠程啟動空調(diào)和電飯煲，到家后房間已達到舒適的溫度，電飯煲也已將飯做好等等。

隨著研制第五代計算機任務(wù)的提出，如何實現(xiàn)計算機的智能化，突破原有的計算機體系結(jié)構(gòu)，以大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路或其他新器件為邏輯部件，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)計算和智能計算就成為了研究工作者的奮斗目標(biāo)。從結(jié)構(gòu)和功能等方面看，今后計算機的發(fā)展趨勢大致如下：

(1)巨型化。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要，許多部門要求計算機有更高的速度、更大的存儲容量，從而使計算機向巨型化方向發(fā)展。2.5計算機的發(fā)展趨勢

(2)微型化。計算機體積更小、重量更輕、價格更低，更便于應(yīng)用于各個領(lǐng)域、各種場合。目前市場上已出現(xiàn)的各種筆記本計算機、平板電腦都是向這一方向發(fā)展的產(chǎn)品。

(3)網(wǎng)絡(luò)化。計算機網(wǎng)絡(luò)是計算機技術(shù)和通信技術(shù)互相滲透、不斷發(fā)展的產(chǎn)物。計算機連網(wǎng)可以實現(xiàn)計算機之間通信和資源共享。目前，各種計算機網(wǎng)絡(luò)，包括局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的形成，無疑將加速社會信息化的進程。

(4)多媒體化。傳統(tǒng)的計算機處理信息的主要對象是字符和數(shù)字，人們通過鍵盤、鼠標(biāo)和顯示器對文字和數(shù)字來進行交互。而人類生活中，更多的是圖、文、聲、像等多種形式的信息。由于數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展能進一步改進計算機的表現(xiàn)能力，使現(xiàn)代計算機可以集圖形、聲音、文字處理為一體，使人們面對有聲有色、圖文并茂的信息環(huán)境，這就是通常所說的多媒體計算機技術(shù)。多媒體技術(shù)使信息處理的對象和內(nèi)容發(fā)生了深刻的變化。

考慮到未來電磁技術(shù)發(fā)展的極限，新型計算機必將朝著光計算機、生物計算機、量子計算機方向發(fā)展。

·光計算機：利用光作為信息的傳輸媒體。

·生物計算機(分子計算機)：生物計算機在20世紀(jì)80年代中期開始研制，其最大的特點是采用了生物芯片。

·量子計算機：是指利用處于多現(xiàn)實態(tài)下的原子進行運算的計算機，這種多現(xiàn)實態(tài)是量子力學(xué)的標(biāo)志。

量子計算機、生物計算機和光計算機將是未來計算機領(lǐng)域研究的重點和熱點，盡管目前還不是十分成熟和實用，但隨著集成電路的密集度和效能的提高必將會極大地推動量子計算機、生物計算機和光計算機的迅猛發(fā)展。到底什么是量子計算機、生物計算機和光計算機呢？下面我們分別給予較為詳細的介紹。

2.6.1量子計算機概述

量子計算機(quantumcomputer)，顧名思義，就是實現(xiàn)量子計算的機器，是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進行高速數(shù)學(xué)和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。當(dāng)某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法時，它就是量子計算機。量子計算機的概念源于對可逆計算機的研究。研究可逆計算機的目的是為了解決計算機中的能耗問題。2.6量?子?計?算?機量子計算機是由理查德·費曼提出的。他發(fā)現(xiàn)當(dāng)理查德·費曼在研究模擬量子現(xiàn)象時龐大的希爾伯特空間使資料數(shù)據(jù)量也變得龐大，一個完好的模擬過程所需的運算時間會因此變得相當(dāng)可觀，甚至達到不切實際的天文數(shù)字。理查德·費曼設(shè)想，如果用量子系統(tǒng)構(gòu)成的計算機來模擬量子現(xiàn)象，則運算時間可大幅度減少。量子計算機的概念從此誕生。

早期量子計算機，實際上是用量子力學(xué)語言描述的經(jīng)典計算機，并沒有用到量子力學(xué)的本質(zhì)特性，如量子態(tài)的疊加性和相干性。在經(jīng)典計算機中，基本信息單位為比特，運算對象是各種比特序列。與此類似，在量子計算機中，基本信息單位是量子比特，運算對象是量子比特序列。所不同的是，量子比特序列不但可以處于各種正交態(tài)的疊加態(tài)上，而且還可以處于糾纏態(tài)上。這些特殊的量子態(tài)，不僅提供了量子并行計算的可能，而且還將帶來許多奇妙的性質(zhì)。與經(jīng)典計算機不同，量子計算機可以做任意的幺正變換，在得到輸出態(tài)后，進行測量得出計算結(jié)果。因此，量子計算對經(jīng)典計算作了極大的擴充，在數(shù)學(xué)形式上，經(jīng)典計算可看作是一類特殊的量子計算。量子計算機對每一個疊加分量進行變換，所有這些變換同時完成，并按一定的概率疊加起來，給出結(jié)果，這種計算稱做量子并行計算。除了進行并行計算外，量子計算機的另一重要用途是模擬量子系統(tǒng)，這項工作是經(jīng)典計算機無法勝任的。

1994年，貝爾實驗室的彼得·秀爾證明量子計算機能完成對數(shù)運算，而且速度遠勝傳統(tǒng)計算機。這是因為量子不像半導(dǎo)體只能記錄0與1，可以同時表示多種狀態(tài)。如果把半導(dǎo)體計算機比成單一樂器，量子計算機就像交響樂團，一次運算可以處理多種不同狀況。因此，一個40位的量子計算機，就能解開1024位的電子計算機花上數(shù)十年才能解決的問題。2.6.2有趣的量子理論

量子論的一些基本論點并不顯得“玄乎”，但它的推論卻顯得很“玄”。我們假設(shè)相距一個“量子”距離也就是最小距離的兩個端點A和B。按照量子論，物體從A不經(jīng)過A和B中間的任何一個點就能直接到達B。換句話說，物體在A點突然消失，與此同時在B點出現(xiàn)。除了神話，你無法在現(xiàn)實的宏觀世界找到一個這樣的例子。量子論把人們在宏觀世界里建立起來的“常識”和“直覺”打個了七零八落。薛定諤貓是關(guān)于量子理論的一個理想實驗。實驗內(nèi)容是：這只貓十分可憐，它被封在一個密室里，密室里有食物有毒藥。毒藥瓶上有一個錘子，錘子由一個電子開關(guān)控制，電子開關(guān)由放射性原子控制。如果原子核衰變，則放出α粒子，觸動電子開關(guān)，錘子落下，砸碎毒藥瓶，釋放出里面的氰化物氣體，貓必死無疑。這個殘忍的裝置由奧地利物理學(xué)家埃爾溫·薛定諤所設(shè)計，所以此貓便叫做薛定諤貓。量子理論認(rèn)為：如果沒有揭開蓋子進行觀察，我們永遠也不知道貓是死是活，它將永遠處于非死非活的疊加態(tài)，這與我們的日常經(jīng)驗嚴(yán)重相違。2.6.3經(jīng)典計算機的特點

經(jīng)典計算機從物理上可以被描述為對輸入信號序列按一定算法進行變換的機器，其算法由計算機的內(nèi)部邏輯電路來實現(xiàn)。

(1)其輸入態(tài)和輸出態(tài)都是經(jīng)典信號，用量子力學(xué)的語言來描述，就是其輸入態(tài)和輸出態(tài)都是某一力學(xué)量的本征態(tài)。如輸入二進制序列0110110，用量子記號，即為|0110110>。所有的輸入態(tài)均相互正交。對于經(jīng)典計算機，不可能輸入這樣的疊加態(tài)：C1|0110110>+C2|1001001>。

(2)經(jīng)典計算機內(nèi)部的每一步變換都演化為正交態(tài)，而一般的量子變換沒有這個性質(zhì)，因此，經(jīng)典計算機中的變換(或計算)只對應(yīng)一類特殊集。圖2.12給出了經(jīng)典量子計算機內(nèi)核示意圖，而圖2.13給出了硅片上16個量子位的光學(xué)照片。

圖2.12經(jīng)典量子計算機內(nèi)核示意圖

圖2.13硅片上16個量子位的光學(xué)照片2.6.4量子計算機的特點

相應(yīng)于經(jīng)典計算機的以上兩個限制，量子計算機分別作了推廣。量子計算機的輸入用一個具有有限能級的量子系統(tǒng)來描述，如二能級系統(tǒng)(稱為量子比特(qubits))，量子計算機的變換(即量子計算)包括所有可能的玄正變換。

(1)量子計算機輸入態(tài)和輸出態(tài)為一般的疊加態(tài)，其相互之間通常非正交；

(2)量子計算機中的變換為所有可能的么正變換。得出輸出態(tài)之后，量子計算機對輸出態(tài)進行一定的測量，給出計算結(jié)果。由此可見，量子計算對經(jīng)典計算作了極大的擴充，經(jīng)典計算是一類特殊的量子計算。量子計算最本質(zhì)的特征為量子疊加性和量子相干性。量子計算機對每一個疊加分量實現(xiàn)的變換相當(dāng)于一種經(jīng)典計算，所有這些經(jīng)典計算同時完成，并按一定的概率振幅疊加起來，得到量子計算機的輸出結(jié)果。這種計算稱為量子并行計算。

無論是量子并行計算還是量子模擬計算，本質(zhì)上都是利用了量子相干性。遺憾的是，在實際系統(tǒng)中量子相干性很難保持。在量子計算機中，量子比特不是一個孤立的系統(tǒng)，它會與外部環(huán)境發(fā)生相互作用，導(dǎo)致量子相干性的衰減，即消相干(也稱“退相干”)。因此，要使量子計算成為現(xiàn)實，一個核心問題就是克服消相干。而量子編碼是迄今發(fā)現(xiàn)的克服消相干最有效的方法。目前主要的幾種量子編碼方案是：量子糾錯碼、量子避錯碼和量子防錯碼。量子糾錯碼是經(jīng)典糾錯碼的類比，是目前研究的最多的一類編碼，其優(yōu)點為適用范圍廣，缺點是效率不高。

迄今為止，世界上還沒有真正意義上的量子計算機。但是，世界各地的許多實驗室正在以巨大的熱情追尋著這個夢想。如何實現(xiàn)量子計算，方案并不少，問題是在實驗上實現(xiàn)對微觀量子態(tài)的操縱確實太困難了。目前已經(jīng)提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束縛離子、電子或核自旋共振、量子點操縱、超導(dǎo)量子干涉等?，F(xiàn)在還很難說哪一種方案更有前景，只是量子點方案和超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)方案更適合集成化和小型化。將來也許現(xiàn)有的方案都派不上用場，最后脫穎而出的是一種全新的設(shè)計，而這種新設(shè)計又是以某種新材料為基礎(chǔ)，就像半導(dǎo)體材料對于電子計算機一樣。研究量子計算機的目的不是要用它來取代現(xiàn)有的計算機。量子計算機使計算的概念煥然一新，這是量子計算機與其他計算機

如光計算機和生物計算機等的不同之處。量子計算機的作用遠不止是解決一些經(jīng)典計算問題。2.6.5量子計算機的功能

量子計算機可以進行大數(shù)的因式分解，和Grover搜索破譯密碼，但是同時也提供了另一種保密通訊的方式。在利用EPR對進行量子通訊的實驗中發(fā)現(xiàn)，只有擁有EPR對的雙方才可能完成量子信息的傳遞，任何第三方的竊聽者都不能獲得完全的量子信息，這樣實現(xiàn)的量子通訊才是真正不會被破解的保密通訊。此外，量子計算機還可以用來做量子系統(tǒng)的模擬，人們一旦有了量子模擬計算機，就無需求解薛定諤方程或者采用蒙特卡羅方法在經(jīng)典計算機上做數(shù)值計算，便可精確地研究量子體系的特征。量子計算機通過量子分裂、量子修補等來進行一系列的大規(guī)模高精確度的運算。其浮點運算性能是普通家用電腦的CPU所無法比擬的。量子計算機大規(guī)模運算的方式其實就類似于普通電腦的批處理程序，簡單來說就是通過大量的量子分裂，再進行高速的量子修補，其運算的精確度和速度是普通電腦望塵莫及的，造價也相當(dāng)驚人，目前唯一一臺量子計算機尚在試驗階段。量子計算機主要用于測量星體精確坐標(biāo)、快速計算不規(guī)則立體圖形體積、精確控制機器人或人工智能等需要大規(guī)模、高精度的高速浮點運算的工作中。在進行這一系列高難度運算的背后，使用量子計算機要面對的是可怕的能量消耗、不怎么長的使用壽命和恐怖的熱量。由此看來，高能短命的量子計算機恐怕離我們的生活還將有一段漫長的距離，就讓我們迎著未來的曙光拭目以待吧！2.6.6量子計算機國內(nèi)外發(fā)展情況分析

據(jù)美國物理學(xué)家組織網(wǎng)報道，德國馬克斯普朗克量子光學(xué)研究所的科學(xué)家格哈德·瑞普領(lǐng)導(dǎo)的科研小組，首次成功地實現(xiàn)了用單原子存儲量子信息——將單個光子的量子狀態(tài)寫入一個銣原子中，經(jīng)過180μs后將其讀出。最新突破有望助力科學(xué)家設(shè)計出功能強大的量子計算機，并讓其遠距離聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建“量子網(wǎng)絡(luò)”。

量子計算機因其能同時處理用單個原子和光子等微觀物理系統(tǒng)的量子狀態(tài)存儲的很多信息，所以計算速度很快。但量子計算機進行操作時，其內(nèi)部不同組件之間必須能進行信息交換。因此，科學(xué)家希望量子信息能在光子和物質(zhì)粒子之間交換。

此前，科學(xué)家實現(xiàn)了光子和數(shù)千個原子集合之間的信息交換，并已首次證明，采用一種可控的方式，量子信息也能在單個原子和光子之間交換。實現(xiàn)光子和單個原子之間信息交換的最大障礙是，光子和原子之間的相互作用太微弱。在最新研究中，科學(xué)家將一個銣原子放在一個光學(xué)共振器的兩面鏡子間，接著使用非常微弱的激光脈沖讓單光子進入該共振器中。共振器的鏡子將光子前后反射了多次，大大增強了光子和原子之間的相互作用。研究人員還通過添加一束激光——控制激光(在銣原子同光子相互作用時，直接射向銣原子)，讓銣原子吸收一個光子，從而讓銣原子進入一種穩(wěn)定的量子狀態(tài)，且原子自旋會產(chǎn)生磁矩，該磁矩的方向?qū)Q定用來存儲信息的穩(wěn)定的量子狀態(tài)。這個狀態(tài)可被相反的過程讀出。他們再次使用控制激光照射銣原子，使其重新釋放出剛開始入射的光子。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在大多數(shù)情況下，讀出的量子信息同最初存儲的信息一致，也就是所謂的保真度超過90%，而傳統(tǒng)方式不基于量子效應(yīng)獲取的保真度僅為67%。且量子信息在銣原子內(nèi)的存儲時間約為180μs，這能與以前基于多個原子方法獲得的量子存儲時間相媲美。但是量子計算機或量子網(wǎng)絡(luò)所要求的存儲時間要比這更長。另外，受到照射的光子中有多少被存儲接著被讀出，所謂的效率現(xiàn)在還不到10%。科學(xué)家正著力進行研究以改進存儲時間和效率。研究人員霍爾格·斯派克特表示，使用單個原子作為存儲單元有幾大優(yōu)勢：首先單個原子很小。其次，存儲在原子上的信息能被直接操作，這一點對于量子計算機內(nèi)邏輯操作的執(zhí)行來說非常重要。另外，它還可以核查出光子中的量子信息是否在不破壞量子狀態(tài)的情況下被成功寫入原子中，一旦發(fā)現(xiàn)存儲出錯，就會重復(fù)該過程，直到將量子信息寫入原子中。另一名科學(xué)家斯蒂芬·里特表示，單原子量子存儲的前景不可估量。光和單個原子之間的相互作用讓量子計算機內(nèi)的更多原子能相互聯(lián)網(wǎng)，這會大大增強量子計算機的功能。而且，光子之間的信息交換會使原子在長距離內(nèi)實現(xiàn)量子糾纏。因此，科學(xué)家們正在研發(fā)的最新技術(shù)有望成為未來“量子網(wǎng)絡(luò)”的必備零件。

2007年初，中國科技大學(xué)微尺度國家實驗室潘建偉小組在國際著名刊物《Nature·Physical》上發(fā)表論文，宣布成功制備了國際上糾纏光子數(shù)最多的“薛定諤貓”態(tài)和單向量子計算機，刷新了光子糾纏和量子計算領(lǐng)域的兩項世界記錄，成果被歐洲物理學(xué)會和Nature雜志等廣泛報道。同年4月，該小組提出并實驗實現(xiàn)不需要糾纏輔助的新型光學(xué)控制非門，減少了量子網(wǎng)絡(luò)電路的資源消耗。9月，該小組利用光子“超糾纏簇態(tài)”演示了單向量子計算的物理過程，實現(xiàn)了量子搜索算法。

此后，該小組又在國際上首次利用光量子計算機實現(xiàn)了Shor量子分解算法，研究成果發(fā)表在國際最權(quán)威的物理學(xué)期刊《PhysicalReviewLetters》上，標(biāo)志著我國光學(xué)量子計算研究達到了國際領(lǐng)先水平。

這一系列高質(zhì)量的工作已經(jīng)獲得了國際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注和認(rèn)可。特別引人注目的是，英國《新科學(xué)家》雜志在“中國崛起”的專欄中，把中科大在量子計算領(lǐng)域取得的一系列成就作為中國科技崛起的重要代表性成果進行了專門介紹。

2.7.1生物計算機簡介

生物計算機又稱仿生計算機，是以生物芯片取代半導(dǎo)體硅片制成的計算機，生物芯片的主要原材料是生物工程技術(shù)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)分子。生物計算機芯片具有并行處理的功能，其運算速度要比當(dāng)今最新一代的計算機快10萬倍，能量消耗僅相當(dāng)于普通計算機的十億分之一，存儲信息的空間僅為當(dāng)代計算機的百億分之一。生物計算機的研究涉及計算機科學(xué)、腦科學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、分子生物學(xué)、生物物理、生物工程、電子工程、物理學(xué)和化學(xué)等有關(guān)學(xué)科。2.7生?物?計?算?機1986年日本開始研究生物芯片，研究有關(guān)大腦和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的信息處理、加工原理，以及建立全新的生物計算機的原理，探討適于制作芯片的生物大分子的結(jié)構(gòu)和功能，以及如何通過生物工程(用脫氧核糖核酸A重組技術(shù)和蛋白質(zhì)工程)來組裝這些生物分子功能元件。2.7.2仿生應(yīng)用

科學(xué)家通過對生物組織體的研究，發(fā)現(xiàn)組織體是由無數(shù)的細胞組成，而細胞由水、鹽、蛋白質(zhì)和核酸等有機物組成，有些有機物中的蛋白質(zhì)分子像開關(guān)一樣，具有“開”與“關(guān)”的功能。因此，人類可以利用遺傳工程技術(shù)，仿制出這種蛋白質(zhì)分子，用來作為元件制成計算機?？茖W(xué)家把這種計算機叫做生物計算機。圖2.14給出了一個生物計算機原型系統(tǒng)。

圖2.14生物計算機原型系統(tǒng)在蛋白質(zhì)制成的計算機芯片中，一個存儲點只有一個分子大小，所以存儲容量可以達到普通計算機芯片的10億倍。由蛋白質(zhì)構(gòu)成的集成電路，其大小只相當(dāng)于硅集成電路的十萬分之一，而且運行速度更快(10-11s)，大大超過人腦的思維速度。2.7.3生物計算機的優(yōu)點

生物計算機有很多優(yōu)點，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

首先，它體積小，功效高。在一平方毫米的生物芯片上，可容納幾億個電路，比目前的集成電路小得多。

其次，我們知道，人體具有一定的自我修復(fù)功能。同樣，生物計算機也有這種功能，當(dāng)它的芯片內(nèi)部出現(xiàn)故障時，不需要人工修理，能自我修復(fù)。所以，生物計算機具有半永久性和很高的可靠性。

再者，生物計算機的元件是由有機分子組成的生物化學(xué)元件，它們是利用化學(xué)反應(yīng)進行工作的，所以，只需要很少的能量就可以工作了，也不會像電子計算機那樣，工作一段時間后，機體會發(fā)熱，并且它的電路間也沒有信號干擾。

目前，生物芯片仍處于研制階段，但在生物元件，特別是在生物傳感器的研制方面已取得不少實際成果。這將會促使計算機、電子工程和生物工程這三個學(xué)科的專家通力合作，加快研究開發(fā)生物芯片。

生物計算機一旦研制成功，可能會在計算機領(lǐng)域內(nèi)引起一場劃時代的革命。生物計算機是以生物界處理問題的方式為模型的計算機。2.7.4生物計算機的現(xiàn)狀和發(fā)展方向

計算機在近幾十年內(nèi)飛速發(fā)展，其速度令人瞠目。然而目前芯片中集成的晶體管的密度已接近當(dāng)前技術(shù)的理論極限，電子計算機的繼續(xù)發(fā)展受到了阻礙。為此人們在不斷尋找新的計算機結(jié)構(gòu)，在研究人工智能的同時，借鑒生物界的各種處理問題的方式，即所謂生物算法，提出了一些生物計算機的模型，部分模型已經(jīng)解決了一些經(jīng)典計算機難以解決的問題。

1．生物分子或超分子芯片

立足于傳統(tǒng)計算機模式，從尋找高效、體微的電子信息載體及信息傳遞體入手，目前已對生物體內(nèi)的小分子、大分子、超分子生物芯片的結(jié)構(gòu)與功能做了大量的研究與開發(fā)?！吧锘瘜W(xué)電路”即屬于此。

2．自動機模型

以自動理論為基礎(chǔ)，致力與尋找新的計算機模式，特別是特殊用途的非數(shù)值計算機模式。目前研究的熱點集中在基本生物現(xiàn)象的類比，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、免疫網(wǎng)絡(luò)、細胞自動機等。不同自動機的區(qū)別主要是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部連接的差異，其基本特征是集體計算，又稱集體主義，在非數(shù)值計算、模擬、識別方面有極大的潛力。

3．仿生算法

以生物智能為基礎(chǔ)，用仿生的觀念致力于尋找新的算法模式，雖然類似于自動機思想，但立足點在算法上，不追求硬件上的變化。

4．生物化學(xué)反應(yīng)算法

立足于可控的生物化學(xué)反應(yīng)或反應(yīng)系統(tǒng)，利用小容積內(nèi)同類分子高拷貝數(shù)的優(yōu)勢，追

求運算的高度并行化，從而提供運算的效率。DNA計算機屬于此類。

5．細胞計算機

采用系統(tǒng)遺傳學(xué)(systemgenet